推力向量控制

改变火箭发动机推力用以获得控制力矩的控制方式

改变火箭发动机推力，用以获得控制力矩的控制方式。这种控制的作用是使飞行器作俯仰、偏航或滚转运动，以便能按预定轨道飞行。

简介

改变火箭发动机推力，用以获得控制力矩的控制方式。这种控制的作用是使飞行器作俯仰、偏航或滚转运动，以便能按预定轨道飞行。

推力向量控制通常由飞行器控制系统发出控制指令，以伺服活门和作动器为执行元件，作动器采用液压、气动等方式工作。控制方式的选择取决于发动机的类型、特点及其应用等因素，如发动机的持续工作时间、推力向量控制引起的发动机性能损失、推进系统包含的发动机台数、发动机重量以及控制机构的尺寸、重量和所需功率等。

论证原理

大西洋研究公司(ARC)与法国欧洲推进公司(SEP)共同进行先进向量控制方案的设计和论证试验。方案之一是超声速分离线喷管,该推力向量控制试验系由曾在标准(轴向)试车台进行过试验的基本型弹道发动机在ARC的多分力试车台上完成的。超声速分离线喷管是在60年代研制的一种很有希望的方案,由于受当时材料的限制而放弃了;随着喷管材料的新发展,证明该方案有进一步开发的必要,因为它可提供较大的偏转角。SEP制造的一种先进的轻型耐高温复合材料NOVEL-TEX,已被选用为ARC试验的喷管喉衬和出口维。超声速分离线喷管是此论证所选择的一个方案,该喷管用可动出口锥和固定喷管喉衬的方法得到推力向量。该喷管的一个有吸引力的特点,是通过出口锥内的超声速流偏转得到侧向力的,所以有可能扩大向量角。超声速分离线喷管有许多超过其他推力向量控制系统的优点。它具有在高速摆动时获得大向量角的能力,在非作动工作状态一F与固定喷管的连接不会引起推力损失,喷管排气载荷很小,因此,喷管本身无需大力加强,允许使用先进的、低成本的轻质c一c材料,如SEP生产的NOVELTEX材料。使用C一C喷管部件的优点之一是设计简单。因为c一c材料是自密封、自润滑的,毋需复杂的密封面。C一C材料在高温下工作不用屏蔽或绝热;事实上,C一C材料的强度是随温度而增加的。

主发动机摇摆

采用这种控制方式的发动机称为常平座发动机或摆动发动机，适用于液体火箭。在主发动机上装有类似于万向接头的常平座和由作动器与伺服活门组成的伺服机构。作动器在控制系统的指令下使发动机绕常平座的轴心摇摆，造成推力向量偏转以获得控制力矩。发动机可以只沿一个方向（单向）摆动，也可沿互相垂直的两个方向（双向）摆动随发动机摆动的推进剂供应管道采用柔性导管。这种方式引起的发动机性能损失很小，应用比较广泛。助推器在火箭的上升飞行阶段用于提供大部分推力，并产生火箭操纵所需的控制力。

游动发动机

简介

在固定安装的主发动机外侧，装有成对的推力较小而摆角较大的发动机，借以实现推力向量控制。它的摆动是通过伺服机构转动固定于燃烧室上的转轴来实现的。游动发动机还能在主发动机关机后继续运转，使飞行器达到规定的速度。

特点

它推力较小，能减小推力后效冲量及其偏差，对飞行器的控制更加精确。

摆动喷管

固体火箭发动机靠摆动喷管控制推力向量。摆动喷管分成固定的和活动的两个部分，靠球面配合，摆动活动部分产生控制力矩，但活动接合面必须保证燃气密封，因而摆动摩擦力矩较大。

型式

①固定部分与活动部分之间用柔性件连接的称为柔性喷管。柔性件是用高比强度金属或复合材料制成的同心球环与橡胶类弹性材料交替层叠粘结而成，对燃气起密封作用。这种结构可靠性高，性能损失小，在大型固体火箭发动机上得到广泛应用。

②固定部分与活动部分用液体轴承连接的称为液浮喷管。液体轴承是带有可滚动包边的织物增强密闭胶囊。囊内充填一定粘度的油液。液体轴承可承受各种载荷并对燃气起密封作用，但在无工作压力时刚度低，液体渗漏检测也比较困难。

排气喷管摆动

在液体火箭发动机涡轮排气管出口装一个可摆动喷管。这种方式的控制力矩较小，用于滚动控制，可与主发动机摆动方案结合使用。

燃气舵

将耐热材料制成的舵成对地安装在固定的火箭发动机喷管的排气射流中。控制系统的指令使舵偏转，燃气流随之转折在舵上产生升力而获得控制力矩。燃气舵对排气射流的阻力会使发动机推力和比冲降低。燃气舵材料受燃气流冲刷烧蚀，还会逐渐改变舵的升力梯度，即舵每偏一度所产生的升力。

二次喷射

或称辅助流体喷射。将单元推进剂或双元推进剂的一种组元，或将燃气发生器的燃气或惰性气体通过发动机喷管扩散段壁的一侧引入主燃气流中，使其在喷管内形成斜激波，从而使主燃气流偏转，产生控制力矩。因不需要摆动构件，控制组件的重量较轻。

缺点

作为辅助流体的推进剂的化学能并未充分利用，会降低发动机的性能。这一方式已成功地用于固体火箭。

补充

推力向量控制还有偏流环、转动斜置喷管等方式。

系统如何控制

根据飞行器控制系统的指令,偏转发动机喷焰排出方向,使其与飞行器轴线偏斜一定角度召,从而改变反作用推力F的方向,此时,发动机推力F的径向分量Fsin口就是侧向控制力Fs,它围绕飞行器重心产生一个控制力矩,用于飞行器姿态的稳定与控制。对它的应用，还得依靠计算机、电子技术、自动控制技术、发动机制造技术、材料和工艺等技术的一体化发展。利用推力矢量控制技术到新设计和改型的下一世纪军用飞机上，的确是一个有效的技术突破口，它对战斗机的隐身、减阻，减重都十分有效。推力矢量控制技术能让发动机推力的一部分变成操纵力，代替或部分代替操纵面，从而大大减少了雷达反射面积;不管迎角多大和飞行速度多低，飞机都可利用这部分操纵力进行操纵，这就增加了飞机的可操纵性。由于直接产生操纵力，并且量值和方向易变，也就增加了飞机的敏捷性，因而可适当地减小或去掉垂尾，也能替代其他一些操纵面。这对降低飞机的可探测性是有利的，也能使飞机的阻力减小，结构重减轻。因此，使用推力矢量技术是解决设计矛盾的最佳选择。

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